06
Эпитаксия полуполярного GaN на подложке Si(001) с буферным слоем SiC
©В.Н. Бессолов, Е.В. Коненкова, С.А. Кукушкин, А.В. Мясоедов, А.В. Осипов, С.Н. Родин, М.П. Щеглов, Н.А. Феоктистов Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе РАН, Санкт-Петербург E-mail:bes@triat.ioffe.rssi.ru
Институт проблем машиноведения РАН, Санкт-Петербург Поступило в Редакцию 11 декабря 2013 г.
Предложен новый метод синтеза полуполярного нитрида галлия на крем- ниевой подложке с помощью технологии твердофазной эпитаксии нанокри- сталлов 3C-SiC. Показано, что применение буферных слоев 3C-SiC и AlN позволяет формировать эпитаксиальные слои полуполярного нитрида галлия с отклонением слоя от полярного положения оси c вюрцитного кристал- ла на угол 48−51◦ при минимальной полуширине рентгенодифракционной кривой качания ωθ ∼24′. Наблюдавшийся изгиб цилиндрического характера в структуре GaN/AlN/3C-SiC/Si(001) объясняется анизотропной деформацией полуполярного GaN на кремнии.
Структуры на основе III-нитридных полупроводниковых соединений широко применяются в современной оптоэлектронике[1]. Важное физи- ческое свойство III-нитридов с вюрцитной кристаллической структурой состоит в том, что в гетероструктурах слои этих соединений в направле- нии вдоль осиc характеризуются наличием спонтанной и пьезоэлектри- ческой поляризаций, что приводит к внутреннему электрическому полю, существенно снижающему квантовую эффективность светодиодов [2].
Однако существует целый ряд кристаллографических направлений, для которых компоненты спонтанной и пьезоэлектрической поляризации уменьшаются или даже становятся равными нулю. Такие направления могут соответствовать не только неполярной, но и полуполярной ориен- тации[3]. В связи с этим появилось большое число работ, посвященных росту полуполярного нитрида галлия. Среди различных материалов подложек (Al2O3, SiC, Si) кремний является наиболее привлекатель-
48
ным. Прежде всего, это обусловлено возможностью использования подложек большого диаметра (до 300 mm), их низкой стоимостью, высокой электрической и тепловой проводимостью. Однако большое рассогласование параметров решеток Si(111) и GaN(0001) (17%) и различие между коэффициентами термического расширения (КТР) Si и GaN (35% [4], 50% [5]) приводят к значительным растягивающим напряжениям в толстых слоях GaN, растущих на кремниевой подложке, и, как следствие, к образованию трещин в этих слоях[5].
В последние годы эпитаксиальные слои полуполярного GaN син- тезируют методом эпитаксии из металлоорганических соединений (МОГФЭ) на профилированных подложках Si(001) [6]. В этой техно- логии поверхность Si(001) предварительно маскируют и обрабатывают в химическом травителе. В этом случае, благодаря анизотропной скорости травления для различных кристаллографических направлений, можно оголить плоскость типа Si(111) и на этой плоскости синтезиро- вать слой GaN(1101) [6]. В работе¯ [7] показано, что на немаскирован- ной кремниевой подложке с буферными слоями AlGaN/GaN методом МОГФЭ возможен синтез полуполярных слоев GaN на поверхностях Si(112), Si(113), Si(114), Si(115), Si(116). Метод хлоридно-гидридной газофазной эпитаксии (ХГЭ) в отличие от метода МОГФЭ имеет более высокую скорость роста и успешно используется при росте полуполярных толстых слоев нитрида галлия на подложкеr-Al2O3[8]и на подложках Si(001) [9]и Si(210) [10].
В данной работе сообщается о новом методе синтеза полуполярных слоев GaN на разориентированных подложках Si(001), на поверхности которых предварительно с помощью технологии твердофазной эпитак- сии[11]формируются нанокристаллы 3C-SiC.
Синтез слоев GaN осуществлялся в два этапа на подложках Si(001) толщиной 300µm с различной разориентацией поверхности(2, 4 и 7◦).
На первом этапе с помощью технологии твердофазной эпитаксии был сформирован слой 3C-SiC толщиной около 50 nm, затем на втором этапе методом ХГЭ при температуре подложки 1080◦C синтезировался буферный слой AlN толщиной ∼300−1000 nm, как это было описано нами в[10]. После этого этим же методом при температуре подложки 1050◦C выращивались основные слои GaN с толщинами от 3 до 15µm.
В методе твердофазной эпитаксии формирование квазиступенчатого слоя карбида кремния происходит без процесса маскирования поверх- ности. Метод базируется на предварительном внедрении в кристал-
Рис. 1. Схематическое изображение процесса синтеза полуполярного GaN на сформированной квазиповерхности 3C-SiC(111).
лическую решетку кремниевой матрицы атомов углерода из оксида углерода(CO). Если отклонить плоскость Si(001)по направлению[110], а затем нагреть ее до температур выше 600◦C, то поверхность, согласно термодинамике, покроется ступенями, у которых верхнележащая грань ступени будет являться плоскостью(001) и которые будут ограничены плоскостями (110). Молекулы CO устремляются перпендикулярно ступеням в глубь Si, и происходит реакция взаимодействия Si с CO с образованием SiC, при этом ступень(110)Si превращается в ступень (111)3C-SiC[11]. Как известно, угол между плоскостями(111)и(001) в кубическом кристалле составляет 55◦ (рис. 1).
При эпитаксии слоев AlN и GaN методом ХГЭ на такой поверх- ности 3C-SiC/Si(001) происходит синтез полуполярного GaN, который возникнет на монокристаллических гранях 3C-SiC(111)слоя толщиной порядка 50 nm(рис. 1).
Структуры GaN/AlN/SiC/Si(001)исследовались методами рентгенов- ской дифрактометрии (РД), растровой электронной (РЭМ), просвечи- вающей электронной (ПЭМ) и атомно-силовой (АСМ) микроскопии.
Результаты РД указывают на наличие равномерно упорядоченных слоев GaN с отклонением слоя от полярного положения оси с вюрцитного кристалла на угол около 42◦для подложки Si(001)с разориентацией 7◦. Анализ микроэлектронограммы(рис. 2), снятой с области интерфейса гетероструктуры GaN/AlN/3C-SiC/Si(001), показал, что полярная ось c
Письма в ЖТФ, 2014, том 40, вып. 9
Рис. 2. Микроэлектронограмма(a)и ПЭМ-изображение(b) гетероструктуры GaN/AlN/3C-SiC/Si(001). В слое нитрида галлия стрелками отмечены дефекты упаковки(SF), дислокации(D)и ILs — промежуточные слои AlN и 3C-SiC.
Зависимости радиусов кривизны гетероструктуры в направлении разориентации подложки(Ra)и перпендикулярном к нему(Rb)от толщины слоя GaN
Толщина слоя Разориентация Эксперимент нитрида галлия,µm подложки, deg Ra, m Rb, m
∼2 2 −1.6 −1.8
10 4 −0.4 −1.6
14 7 −0.25 −1.4
нитрида галлия параллельна направлению [111] кремниевой подложки, т. е. отклонение слоя от полярного положения оси c вюрцитного кристалла составляет около 55◦ без учета разориентации подложки (рис. 2,a). ПЭМ-изображение структуры показало, что угол между нормалью к подложке и перпендикуляром к линиям, представляющим собой изображение дефектов упаковки, составляет 48 и 51◦ для структур, синтезированных на подложках с разориентацией 7 и 4◦ соответственно (рис. 2,b), что согласуется с результатами анализа микроэлектронограммы. Совокупность результатов РД и ПЭМ позволит предположить, что комбинированная технология тведофазной эпитаксии 3C-SiC и ХГЭ GaN на разориентированной подложке Si(001)позволяет синтезировать полуполярный GaN(1012).¯
Структуры GaN/AlN/3C-SiC/Si(001)по результатам РД имели изгиб цилиндрического характера. При этом измерения значений радиусов кривизны гетероструктуры в направлении разориентации подложки и перпендикулярном к нему показали существенные изменения лишь в од- ном из направлений в зависимости от толщины слоя GaN(см. таблицу).
Значения полуширин рентгенодифракционных кривых качания(FWHM) для рефлекса 1012 в слоях GaN для всех струкутр практически не¯ отличались и имели значениеωθ∼24 arcmin.
Исследования структур с помощью РЭМ (рис. 3,a) показали, что поверхность и скол слоя имеют характерную структуру для полуполярного GaN [9,10]. АСМ поверхности слоя GaN показала, что в направлении h2110i¯ проявляются параллельные линии трещин слоя, что свидетельствует об анизотропном характере деформации структуры (рис. 3,b).
Таким образом, нами экспериментально показано, что совокупность методов твердофазной эпитаксии карбида кремния на подложках Si(001)
Письма в ЖТФ, 2014, том 40, вып. 9
Рис. 3. РЭМ-изображение скола (a) и ACM-изображение поверхности (b) структуры GaN/AlN/3C-SiC/Si(001).
и ХГЭ нитрида галлия позволяет формировать эпитаксиальные слои GaN(1012)¯ с полушириной кривой качания ωθ ∼24′. Изгиб цилин- дрического характера в структуре GaN/AlN/3C-SiC/Si(001) связан с анизотропной деформацией полуполярного слоя GaN на кремниевой подложке.
Работа выполнена при поддержке Российского фонда фундаменталь- ных исследований(гранты № 13-02-12040-офи-м, 13-08-00074-a).
Авторы выражают глубокую признательность С.Г. Жукову за работу по синтезу оразцов SiC на Si, а также А.А. Ефимову и А.С. Гращенко за АСМ-измерения поверхности пленок SiC и GaN.
Список литературы
[1] Nakamura S., Fasol G., Pearton S.J. // The Blue Laser Diode. New York:
Springer, 2000. P. 510.
[2] Seo I.J., Kolmer H., Off J., Sohmer A., Scholz F., Hangleiter A.// Phys. Rev. B.
1998. V. 57. P. R9435–R9438.
[3] Romanov A.E., Baker T.J., Nakamura S., Speck J.S. // J. Appl. Phys. 2006.
V. 100. P. 023 522.
[4] Reeber R.R., Wang K.// Mat. Res. Soc. Symp. 2000. V. 622. P. T6.35.1.
[5] Liu L., Edgar J.H.// Mater. Sci. Eng. R. 2002. V. 37. P. 61–127.
[6] Tanikawa T., Hikisaka T., Honda Y., Yamaguchi M., Sawaki N.// Phys. Status Solidi C. 2008. V. 5. P. 2966–2968.
[7] Ravash R., Blasing J., Dadgar A., Krost A.// Appl. Phys. Letter. 2010. V. 97.
P. 142 102.
[8] Strittmatter A., Northrup J., Johnson N.M., Kisin M.V., Spiberg P., El-Gho- roury H., Usikov A., Syrkin A.// Phys. Status. Solidi. B. 2011. V. 248. P. 561–
573.
[9] Бессолов В.Н., Жиляев Ю.В., Коненкова Е.В., Полетаев Н.К., Шарофиди- нов Ш., Щеглов М.П.// Письма в ЖТФ. 2012. Т. 38. В. 1. С. 21–26.
[10] Bessolov V.N., Konenkova E.V., Shcheglov M.P., Sharofidinov Sh., Kukush- kin S.A., Osipov A.V., Nikolaev A.E. // Phys. Status Solidi. C. 2013. V. 10.
P. 433–436.
[11] Kukushkin S.A., Osipov A.V.// J. Appl. Phys. 2013. V. 113. P. 024 909-1.
Письма в ЖТФ, 2014, том 40, вып. 9
